Introducción a la vida digital

En la década de 1980, hubo un auge internacional de la investigación sobre el uso de medios no biológicos para crear nuevas formas de vida. Esta nueva forma de vida es la llamada "vida artificial". La discusión sobre el concepto de vida artificial y otras cuestiones relacionadas con la vida artificial ha ido formando gradualmente un campo de investigación independiente. El auge de este campo de investigación ha planteado muchas preguntas nuevas sobre inteligencia artificial, ciencias biológicas, ciencias cognitivas, informática, filosofía y ética. Estas preguntas son: ¿Cómo se define la vida artificial? ¿Cuál es la relación entre la vida artificial y la inteligencia artificial? ¿Qué áreas de investigación incluye la investigación de la vida artificial? ¿Qué es la vida digital? ¿Cuál es la naturaleza de la vida digital? ¿Cuál es la importancia de la investigación de la vida digital? Etcétera. Las siguientes personas analizarán la naturaleza y el desarrollo de la vida digital, un importante campo de investigación de la vida artificial, para revelar su importancia teórica y práctica.

¿Cuál es la esencia de la vida digital? La vida digital es vida artificial, no vida natural formada orgánicamente a partir de carbohidratos. Es un sistema artificial con características o comportamiento de vida natural. La investigación de la vida digital consiste en utilizar medios informáticos no biológicos para crear nuevas formas de vida. ¿Está descomponiendo la vida natural en unidades individuales? Utiliza un enfoque sintético en lugar de un enfoque reductivo. Los pioneros de la vida digital ven la vida en la Tierra simplemente como formas de vida específicas con portadores específicos. Creen que otras sustancias (como las computadoras) pueden usarse como portadoras para construir nuevas formas de vida, dándoles características de vida y permitiéndoles tener funciones como evolución, herencia y reproducción. La investigación sobre la vida digital no se trata de “clonar” la vida. Simplemente utiliza medios informáticos para construir o sintetizar vida. En resumen, la llamada investigación de la vida digital se refiere a la investigación de la vida artificial que utiliza computadoras como medio y programas de computadora como individuos vivos. Se dice que el nacimiento de la idea de vida digital está relacionado con un accidente. En el verano de 1975, C.G. Langton resultó gravemente herido en un accidente de planeo en Grand Father Mountain en Carolina del Norte, EE. UU., y casi pierde la vida. Pero como dijo un antiguo filósofo chino: De las desgracias dependen las bendiciones. El accidente dio origen a una nueva disciplina que Langton más tarde denominó vida artificial. Durante su recuperación, leyó vorazmente, desde biología, filosofía, genética, números e incluso ciencia ficción. Mientras leía, Langton se convenció cada vez más de que no había ningún organismo vivo que no pudiera recrearse en un semillero de computadoras. Después de ser dado de alta del hospital, determinó su objetivo de vida: crear una "vida digital" que corresponda a la vida natural en la Tierra. Lo llamó "vida de silicio". En 1987, Langton organizó el primer seminario sobre vida artificial y propuso el concepto de vida artificial. Desde entonces, la vida artificial como tema y campo de investigación se ha establecido y desarrollado gradualmente ([1], pp.41).

Un campo de investigación importante en la investigación de la vida artificial es el estudio de la vida digital. Ha habido muchos resultados importantes en la investigación sobre la vida digital. Por ejemplo, el modelo Cellular Automata propuesto por von Neumann y otros, el programa de juego "Life" compilado por J. Conwey de la Universidad de Cambridge, etc. Sin embargo, el logro más importante debería ser la vida digital creada por Thomas.S.Ray.

Thomas Ray es profesor de la Universidad de Delaware, naturalista y botánico tropical. Ha estado buscando respuestas a la pregunta de qué creó la vida en la Tierra. Dado que toda la vida en la Tierra tiene el mismo origen, el tamaño de la muestra es 1 y en ese momento no se encontraron muestras de vida extraterrestre para comparar. Es difícil distinguir los atributos inevitables y los atributos accidentales de la vida en la Tierra. al menos en ese momento, todavía no era posible la Realidad. Por eso, Thomas Ray propuso la idea de crear vida digital en la computadora que sea diferente a la vida en la naturaleza.

El 9 de enero de 1990 nació la primera vida digital del mundo en el ordenador de Thomas Ray [2]. El experimento informático que diseñó es así: introduce el concepto de evolución de la vida en el campo de la informática, utilizando los recursos proporcionados por las computadoras digitales (unidades de RAM, tiempo de CPU y sistemas operativos) para proporcionar un entorno vivo para la vida digital. La vida digital que diseñó utiliza números como portador para explorar diversos fenómenos, leyes y comportamientos emergentes de sistemas complejos que aparecen en la evolución de la vida.

Por un lado, la vida digital existe en forma de programa informático en un entorno de memoria de acceso aleatorio (RAM) y, por otro lado, utiliza el tiempo de la unidad central de procesamiento (CPU) para organizar su comportamiento en la unidad de almacenamiento. Con las correspondientes estrategias de competencia, los seres digitales compiten por el tiempo de funcionamiento y el espacio de almacenamiento de la unidad central de procesamiento (CPU). Thomas Ray cree que este tipo de vida digital debe programarse con algún tipo de código digital adecuado para sobrevivir en dicho entorno. Este programa puede copiarse a sí mismo y ser ejecutado directamente por la unidad central de procesamiento (CPU). No solo eso, también puede activar directamente el sistema de instrucciones de la unidad central de procesamiento (CPU) y el programa de servicio del sistema operativo, reflejando sus ventajas en el proceso evolutivo al ocupar recursos.

El mundo vivo digital diseñado por Thomas Ray se llama Tierra. En español, Tierra significa "Tierra". ([3], páginas 115-123) Se puede ver que es un mundo de vida digital similar al mundo de la vida real en la Tierra. Durante la operación de la Tierra, con el avance de la evolución, los tipos de vida digital aumentan día a día. Las "células individuales" evolucionan gradualmente hacia "células múltiples", formando su propio entorno ecológico digital. También eventos similares a la explosión de especies en la naturaleza. Fenómeno de explosión de especies. Además, Tierra puede producir organismos específicos que son inmunes a los parásitos. Después de un período de evolución, también surgirá una sociedad digital. La similitud entre este mundo de vida digital y el mundo de la vida real es que en el mundo de la vida real, la vida usa el sol para obtener la materia y la energía que necesita. Estas formas de vida naturales nacen en el entorno natural de la tierra y luego continúan. evolución. En la Tierra, los seres digitales (en forma de programas informáticos autorreplicantes) utilizan el tiempo de la unidad central de procesamiento de la computadora para organizar el espacio de almacenamiento de la máquina. En la naturaleza, la vida evoluciona gradualmente y compite por la supervivencia, por alimento, refugio y pareja. Aquellos genotipos que dejan más descendencia continúan aumentando con el tiempo, y el número de descendientes con baja aptitud física en la población disminuye gradualmente hasta extinguirse. En la Tierra, los seres digitales pasan por el mismo proceso, y estos seres digitales (en forma de programas autorreplicantes) compiten por el tiempo de la CPU y la memoria. Cambian constantemente sus estrategias para aprovecharse unos de otros, y aquellos programas que ganan más tiempo y espacio de almacenamiento dejan más copias (descendencia). En la naturaleza, la supervivencia y la evolución de la vida dependen del entorno natural; en la Tierra, el procesador central y la memoria de la computadora constituyen el entorno físico (es decir, el campo de juego) del que depende el proceso evolutivo. En la naturaleza, la vida se sintetiza orgánicamente a partir de carbohidratos; mientras que la vida digital de la Tierra se compone de programas autorreplicantes escritos en lenguaje ensamblador de máquinas. Por lo tanto, la vida en la Tierra es también una versión digital de las formas de vida en el mundo real de las personas. En otras palabras, en la Tierra pueden aparecer diversos comportamientos similares a la vida real en la Tierra y todas las características de la evolución natural.

Sin embargo, la evolución de la vida digital en la Tierra también es diferente de la evolución natural de la vida real. Es decir, la estructura de esta vida digital no sólo porta información genética, sino que también es la encargada de emprender las actividades metabólicas de la vida. En el mundo real, estas dos funciones las realizan dos estructuras diferentes (es decir, ADN/ARN y proteína, respectivamente).

Para evitar que estos seres digitales se entrometan innecesariamente en el hardware real de la máquina donde residen, Thomas Ray configuró el sistema informático de modo que todo el sistema Tierra se ejecute en una llamada "computadora virtual". ". Esto significa simular una computadora en forma de software para almacenar Tierra dentro de una computadora real. En otras palabras, Thomas Ray creó una serie de instrucciones de software para simular el funcionamiento de una máquina de hardware física. Mientras haya computadoras del mundo real involucradas, la vida digital de la Tierra son datos, no diferentes de los datos provenientes de procesadores de texto o paquetes gráficos.

El sistema operativo Tierra determina la comunicación entre organismos, la asignación de tiempo de CPU, la asignación de espacio de memoria y otros factores que conforman el entorno operativo de la vida digital. Por lo tanto, es necesario discutir aquí sus componentes principales: ([3], pp.118-121)

1 Asignación de almacenamiento - celularización

Ocupado por la computadora virtual Tierra Los fragmentos. de memoria dentro de una computadora real se llaman "sopa". Cada "habitante" de la Tierra ocupa un determinado bloque de memoria en esta sopa.

Para evitar que las actividades de una vida digital interfieran fácilmente con las actividades de otra forma de vida, es necesario proporcionar a la vida digital una isoforma de la membrana celular real para lograr la celularización. Tierra sólo permite que la vida misma tenga privilegios de escritura en sus bloques de memoria. En otras palabras, otras formas de vida pueden examinar la estructura de cualquier otra forma de vida e incluso ejecutar el código de esa forma de vida, pero sólo la forma de vida misma puede modificar su propia estructura.

2. Tiempo compartido - divisor de tiempo

Para permitir que cada miembro de la comunidad Tierra realice actividades en la sopa al mismo tiempo, el sistema operativo Tierra debe ejecutarse. paralelo. Sin embargo, el sistema operativo distribuye el tiempo de CPU a cada ser en la Tierra, simulando con éxito un entorno multitarea. Siempre que la duración del intervalo de tiempo sea menor que el tiempo que le toma a la Tierra producir una generación, este modelo de tiempo compartido puede simular bien la computación paralela real.

3. Mecanismo de muerte - Reaper

En Tierra, si no hay algún tipo de mecanismo de muerte para eliminar las formas de vida más antiguas de la sopa, el grupo de vida digital se autorreplicará. eventualmente llene el espacio limitado. Por lo tanto, debe haber un mecanismo de muerte, y quien implementa este mecanismo es el segador. Cuando esta sopa se llena hasta cierto nivel (por ejemplo, 80%), el recolector comienza a eliminar formas de vida. es decir, recuperar las asignaciones de almacenamiento que se le han asignado, eliminándolas no solo del recolector sino también de la cola del temporizador.

4. Mutación - Mutador

Si la vida digital quiere evolucionar, debe haber alguna manera de mutar su genoma, y ​​debe haber alguna manera de transmitir esta mutación a las generaciones futuras. . Esto se puede hacer en las dos situaciones siguientes. En primer lugar, confiar en mutaciones aleatorias del propio cuerpo vivo. Los bits de la cadena binaria que expresa el programa de vida cambian aleatoriamente de 0 a 1 o de 1 a 0 a una velocidad fija. El resultado del cambio de bits es evitar que cualquier ser vivo se vuelva inmortal. A medida que se invierten ciertos códigos del cuerpo vivo, el cuerpo vivo muta gradualmente y avanza hacia la decadencia de la vida. En segundo lugar, durante el proceso de copia, la ejecución imperfecta de instrucciones también puede provocar mutaciones aleatorias. En este momento, el comportamiento de la vida en la Tierra no es completamente determinista y, por lo tanto, tales mutaciones aleatorias son impredecibles.

Ahora, el sistema Tierra tiene un entorno espacial (memoria), energía (tiempo de CPU), un algoritmo de asignación de recursos (divisor de tiempo) y la muerte de un número limitado de formas de vida en un espacio limitado. mecánicas (cosechadoras), y también mecánicas de evolución (mutadores). Todo está listo excepto el viento del este y una criatura ancestral.

Para crear un antepasado de la Tierra, Thomas Ray escribió un programa en lenguaje ensamblador. Es un programa autorreplicante con una longitud de instrucción de 80. Un día de enero de 1990, puso a este ancestro en la sopa y al día siguiente, la Tierra realmente dio a luz a muchas criaturas vivientes. Thomas Ray quedó gratamente sorprendido al descubrir que después de miles de generaciones de computadoras, las especies a menudo muestran diversidad, con diferentes tamaños y especificaciones, diferentes esperanzas de vida y diferentes relaciones ecológicas (independencia, parasitismo, etc.). También descubrió que en presencia de depredadores, las especies pueden evolucionar más rápido, porque para reemplazar a la presa para obtener una "solución" relativamente óptima o la posición máxima local, el depredador debe competir ferozmente con ella, lo que incita a hacerlas evolucionar más rápido. .

En el proceso de síntesis de vida digital, resulta muy interesante el "salto" evolutivo que se produce en la Tierra. La vida digital sufrirá mutaciones después de muchas generaciones de lenta evolución o inactividad, lo que recuerda el debate entre gradualismo y catastrofismo. Este "salto" evolutivo es también como la vida de un soldado, un largo período de vida monótona, intercalado ocasionalmente con emocionantes acontecimientos repentinos. Thomas Ray demostró a través de experimentos informáticos que el silencio (quietud) es sólo un fenómeno superficial y que la variación genética que es invisible al exterior se acumula gradualmente cuando alcanza una "masa crítica" y conducirá inevitablemente a mutaciones fenotípicas.

Aunque el objetivo final de Thomas Ray es crear nueva vida. Pero preferiría llamar al estudio de la vida digital "Biología Sintética". No pretendía sintetizar nuevos organismos basados ​​en carbono ni considerar una nueva bioquímica. En su opinión, el metabolismo bioquímico es sólo una condición necesaria para la existencia de la vida, no un atributo esencial de la vida. Los sistemas de vida deben definirse como sistemas "autorreplicantes y en continua evolución".

La vida que describió en el artículo "Métodos sintéticos de vida artificial" y las formas de vida arraigadas en la "Reserva Digital" transmitidas en Internet cumplen con estos estándares de vida ([3], páginas 111-145). Por lo tanto, Thomas Ray afirma que estas especies informáticas pueden denominarse vida, e incluso los virus informáticos están vivos (si pueden evolucionar). Sin embargo, debido a que los virus en la naturaleza dependen de células filtrantes no virales para reproducirse, muchos biólogos niegan que vivan vida orgánica y, por lo tanto, no creen que los virus informáticos también estén vivos.

Thomas Ray cree que el uso de tecnología de software para crear vida digital en computadoras se puede dividir en dos tipos: uno es la simulación del proceso de vida; el otro es la instanciación del proceso de vida. Las creaciones correspondientes pueden denominarse vida simulada y vida sintética ([4], pp.29-60). La simulación por computadora de los procesos de la vida debe primero establecer un modelo computacional de la estructura o evolución del cuerpo vital en estudio y convertirlo en un programa para ejecutar en la computadora. Luego, los resultados obtenidos se comparan con los obtenidos a partir de observaciones o experimentos. lograr un prototipo- —Comprensión del organismo vivo que se está estudiando. El uso temprano de métodos de simulación por computadora para estudiar fenómenos de la vida a menudo se logró estableciendo ecuaciones diferenciales que gobiernan el ecosistema o comunidad biológica bajo estudio, mientras que el nuevo método de simulación ascendente crea un grupo de estructuras de datos, en las que se estructura cada instancia; Corresponde a una sola entidad. Estas estructuras contienen variables de estados individuales y las reglas determinan cómo los individuos interactúan entre sí y con su entorno. Una vez implementada una simulación, las poblaciones de estas estructuras de datos interactúan de acuerdo con reglas locales, con el resultado de que el comportamiento general del sistema surge de estas interacciones. El segundo camino es una ilustración de los procesos de la vida. En una simulación, se crean estructuras de datos que contienen variables que representan el estado de la entidad que se simula, de modo que los datos en la computadora se vean como una representación de algo real. En la ilustración, los datos de la computadora no representan nada más, es decir, los patrones de datos en la ilustración se consideran formas de vida con carácter propio, en lugar de modelos de cualquier forma de vida natural. Por lo tanto, uno de los objetivos básicos de la creación de instancias de vida digital es introducir las formas y procesos naturales de la vida en medios artificiales como las computadoras, creando así formas de vida digitales no basadas en carbono. Sin embargo, para ello es necesario adquirir ideas y medios tecnológicos estudiando la evolución de la vida orgánica, pero sin obligar a los medios digitales a realizar simulaciones antinaturales del mundo orgánico. Debe recordarse que una nueva instanciación no es orgánica, sino que difiere de la vida orgánica en muchos aspectos fundamentales. Por ejemplo, la vida orgánica reside en el espacio euclidiano, mientras que la vida digital reside en la lógica de la memoria de la computadora en el espacio.

Las opiniones de Thomas Ray sobre la vida digital y el mundo de la vida digital han causado una gran controversia. Algunas personas aceptan su trabajo como un ejercicio útil de biología teórica, pero no aceptan su fuerte interpretación filosófica de la vida digital. Tomando prestada la declaración de Searle cuando hablaba de la inteligencia artificial ([6], 3:417-57), dijeron que incluso si la vida artificial débil es científicamente valiosa, la vida artificial fuerte es imposible. Sin embargo, se cree que, después de todo, el modelo de vida digital de Thomas Ray es un intento audaz de explorar esta posibilidad.

El escepticismo ante la síntesis de nuevas formas de vida se basa en la suposición de que el origen de la vida es casi imposible, si no milagroso. Parece haber muchos detalles intrincados que deben resolverse para que la vida aparezca. La posibilidad del surgimiento de vida es una posibilidad astronómica, y la vida puede incluso ser un evento accidental en el universo que sólo ocurre en la Tierra. Sin embargo, algunos estudiosos de la vida artificial señalaron ([7], pp.146-172.) que esta visión escéptica es insostenible. En su opinión, el surgimiento de estados ordenados, e incluso el surgimiento de la reproducción, no es fundamentalmente único e impredecible, sino algo que surge inevitablemente en sistemas complejos. Para estudiar el origen espontáneo de los estados ordenados, S. Kauffman consideró sistemas de procesamiento de información compuestos por muchas unidades que interactúan y explicó estos sistemas definidos de manera abstracta en términos de varios niveles de dinamismo. El modelo matemático de Kauffman demostró que la formación de estos patrones estables era inevitable independientemente del estado desordenado en el que comenzaba el sistema de procesamiento de información. Es la interacción entre genes lo que obliga a los genes de una célula a organizarse espontáneamente en patrones estables que pueden sobrevivir en su entorno.

En segundo lugar, las personas no deberían considerar simplemente el ecosistema natural en el que viven como la realidad real; si lo miramos desde otra perspectiva, desde el mundo virtual compuesto de computadoras y redes, ¿cómo se puede considerar el ecosistema digital en el que vive la vida digital? ¿Acerca de que sea algo real? Parece que el surgimiento de la vida digital y el mundo de la vida digital ha desafiado las ciencias biológicas, la ecología, la filosofía y la ética tradicionales. El significado teórico y práctico de la creación de vida digital es: primero, la vida digital sigue los mismos principios que la vida natural. de herencia y evolución, esto proporciona un nuevo método experimental para la investigación en profundidad de los fenómenos evolutivos biológicos y el estudio de sistemas de vida complejos; en segundo lugar, el estudio de la vida digital muestra muchas características de la vida en la pantalla de la computadora. y nuevos métodos de investigación para que las personas revelen profundamente la naturaleza de la vida; en tercer lugar, con la ayuda de la investigación de la vida digital, se pueden proporcionar modelos informáticos y entornos de soporte de redes informáticas para el estudio de las leyes de crecimiento, desarrollo y evolución de la vida natural; Con la ayuda de métodos de investigación de la vida digital, la exploración de los mecanismos de reproducción, herencia y evolución humanas ayudará a la investigación e implementación de la planificación familiar humana y la eugenesia y, a su vez, ayudará a resolver una serie de problemas prácticos como la explosión de especies y la explosión demográfica. y la contaminación ambiental.